周 宇，湯 濤，曾祥君，羅春輝，楊忠毅

基于零序電流幅值比倍增系數(shù)的靈活接地系統(tǒng)故障選線方法

周 宇1，湯 濤1，曾祥君1，羅春輝2，楊忠毅1

(1.長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2.湖南省送變電工程有限公司，湖南 長沙 410114)

針對(duì)靈活接地系統(tǒng)高阻接地故障選線困難的問題，提出一種基于零序電流幅值比倍增系數(shù)的靈活接地系統(tǒng)故障選線方法。首先，分析了系統(tǒng)單相接地故障時(shí)并聯(lián)小電阻投入前后中性點(diǎn)與線路零序電流幅值比的變化特征，即：中性點(diǎn)與健全線路零序電流幅值比增大，而中性點(diǎn)與故障線路零序電流幅值比減小。其次，通過引進(jìn)倍增系數(shù)定量刻畫幅值比變化趨勢(shì)，繼而構(gòu)造故障選線自適應(yīng)判據(jù)。此外，利用中性點(diǎn)電感和電阻間接求解小電阻投入后零序電流幅值微弱的健全線路倍增系數(shù)，有效降低因零序CT精度限制所導(dǎo)致的選線誤判概率。理論分析和仿真結(jié)果表明，該方法耐過渡電阻能力可達(dá)3000W，無需零序電壓信息，可靠且適用性強(qiáng)。

靈活接地系統(tǒng)；高阻接地故障；幅值比；倍增系數(shù)；故障選線

0 引言

我國10～35 kV中壓配電網(wǎng)主要采用中性點(diǎn)不接地或諧振接地運(yùn)行方式[1-2]。諧振接地方式能有效熄滅瞬時(shí)電弧、防止電弧重燃[3-4]，但故障后過電壓水平高、故障選線困難。為快速處理接地故障，不少城市配電網(wǎng)采用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式。該方式能快速切除故障、抑制過電壓，但保護(hù)跳閘率高，中性點(diǎn)設(shè)備易被損壞[5-6]。消弧線圈并小電阻的靈活接地方式，能有效兼顧諧振接地和小電阻接地的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展迅速，并已在我國多地推廣應(yīng)用[7-8]。

目前，靈活接地系統(tǒng)對(duì)單相接地故障的處理大多沿用小電阻接地系統(tǒng)所采用的零序過電流保護(hù)。零序過電流保護(hù)整定數(shù)值較高，一般為40～60 A，最大僅能檢測(cè)到140 Ω左右的接地電阻[9-10]。配電網(wǎng)周圍環(huán)境復(fù)雜且線路架空距離低[11]，裸露的帶電導(dǎo)線與水泥、沙地、草地等非理想導(dǎo)體直接接觸產(chǎn)生的高阻接地故障時(shí)有發(fā)生，零序電流可能小于整定值，導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)。長時(shí)間帶故障運(yùn)行極易擴(kuò)大故障范圍，引發(fā)更嚴(yán)重的后果[12-13]。因此，亟待研究靈活接地系統(tǒng)高阻接地故障保護(hù)方法，解決高阻接地故障保護(hù)拒動(dòng)難題。

為此，國內(nèi)外學(xué)者提出了眾多提高保護(hù)可靠性的方法。文獻(xiàn)[14-15]利用線路出口零序電流和零序電壓分別構(gòu)成功率方向和零序電壓比率制動(dòng)保護(hù)，但均需同時(shí)采集故障零序電壓和零序電流信息，耐過渡電阻能力有限，而且可靠性受零序PT斷線和測(cè)量精度的限制。文獻(xiàn)[16-17]通過比較各出線零序電流差異進(jìn)行故障選線，靈敏度較高，僅適用于集中式保護(hù)裝置，同樣受互感器精度所限。文獻(xiàn)[18-19]根據(jù)線路零序電流與中性點(diǎn)電流投影量檢測(cè)高阻接地故障，耐過渡電阻能力強(qiáng)，但是并聯(lián)小電阻投入后會(huì)導(dǎo)致部分健全線路零序電流過小，零序CT難以準(zhǔn)確采集，存在誤判風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，諸如小波變換法[20]、伏安特性法[21]、暫態(tài)能量法[22-23]等暫態(tài)保護(hù)法在小電阻接地系統(tǒng)中也有應(yīng)用，但系統(tǒng)高阻故障時(shí)存在暫態(tài)特征復(fù)雜、暫態(tài)分量提取困難等問題。針對(duì)靈活接地系統(tǒng)高阻接地故障選線難題，文獻(xiàn)[24-25]分別利用并聯(lián)小電阻投入前后零序?qū)Ъ{模值比和相角差的變化量進(jìn)行故障選線，但都引進(jìn)了零序電壓，受零序PT斷線限制。文獻(xiàn)[26]利用并聯(lián)小電阻投入前后零序電流相位變化特征進(jìn)行選線，無需引進(jìn)零序電壓，適用性強(qiáng)，靈敏度高，但需同時(shí)測(cè)量中性點(diǎn)和線路零序電流的幅值和相角，現(xiàn)有技術(shù)及測(cè)量裝置無法滿足對(duì)相角進(jìn)行同步測(cè)量的精度要求[27]，而且利用中性點(diǎn)零序電流計(jì)算健全線路微弱零序電流的流程較為復(fù)雜。

本文提出一種基于零序電流幅值比倍增系數(shù)的靈活接地系統(tǒng)故障選線方法。分析了系統(tǒng)單相接地故障時(shí)并聯(lián)小電阻投入前后中性點(diǎn)與線路零序電流幅值比變化特征，引進(jìn)倍增系數(shù)定量刻畫幅值比變化趨勢(shì)，繼而構(gòu)造故障選線自適應(yīng)判據(jù)。進(jìn)一步地，利用中性點(diǎn)電感和電阻間接求解倍增系數(shù)，不用直接測(cè)量小電阻投入后健全線路幅值微弱的零序電流。所提方法僅需零序電流幅值特征，考慮了現(xiàn)有零序CT測(cè)量精度限制。理論分析與仿真結(jié)果驗(yàn)證了選線方法的有效性。

1 靈活接地系統(tǒng)單相接地故障特征分析

1.1 靈活接地系統(tǒng)單相接地零序等效網(wǎng)絡(luò)

圖1 靈活接地系統(tǒng)單相接地故障示意圖

圖2 靈活接地系統(tǒng)單相接地故障零序等值網(wǎng)絡(luò)

1.2 消弧線圈補(bǔ)償階段零序電流幅值比

1.3 并聯(lián)小電阻投入階段零序電流幅值比

對(duì)比式(7)與式(2)可知，此時(shí)中性點(diǎn)不僅流過消弧線圈補(bǔ)償?shù)母行噪娏?，還流過因并聯(lián)小電阻投入帶來的阻性電流。

對(duì)比式(8)與式(3)可知，此時(shí)故障線路也額外流過因并聯(lián)小電阻投入帶來的阻性電流。

由式(6)—式(8)可得并聯(lián)小電阻投入階段中性點(diǎn)與線路零序電流相量比滿足：

由式(11)、式(12)可知，并聯(lián)小電阻投入后，中性點(diǎn)與健全線路零序電流幅值比增大，而中性點(diǎn)與故障線路零序電流幅值比減小。此外，由式(4)、式(5)、式(11)、式(12)可知，并聯(lián)小電阻投入前后，中性點(diǎn)與健全線路、故障線路零序電流幅值比均不受過渡電阻的影響。

另外，當(dāng)母線單相接地故障時(shí)，此時(shí)并不存在故障線路，所有線路均為健全線路，故中性點(diǎn)與所有線路零序電流幅值比的變化規(guī)律與前文對(duì)于健全線路的分析保持一致。

2 基于零序電流幅值比倍增系數(shù)的故障選線方法

2.1 故障選線原理

10 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)地電容電流一般不會(huì)超過200 A[25]，由式(13)可知，系統(tǒng)對(duì)地電容電流為200 A (0∑最大)，過補(bǔ)償為10%(最小)時(shí)，健全線路倍增系數(shù)最小，為2.81，其他情況下倍增系數(shù)更大。

為更直觀地表示健全線路倍增系數(shù)在不同情形下的變化趨勢(shì)，系統(tǒng)對(duì)地電容電流取20～200 A，設(shè)置為-10%～0%，得到健全線路倍增系數(shù)如圖3所示。

圖3 健全線路倍增系數(shù)

基于上述分析可得如下結(jié)論：

1) 健全線路倍增系數(shù)所處范圍為2.81～28.88，顯然，并聯(lián)小電阻投入前后，中性點(diǎn)與健全線路零序電流幅值比增大。同時(shí)，健全線路倍增系數(shù)隨著配電網(wǎng)規(guī)模和過補(bǔ)償度的增大而減小。

2) 故障線路倍增系數(shù)所處范圍為0～1，即在并聯(lián)小電阻投入前后，中性點(diǎn)與故障線路零序電流幅值比減小。同時(shí)，故障線路倍增系數(shù)與配電網(wǎng)規(guī)模、過補(bǔ)償度和故障線路零序?qū)Φ仉娙萦嘘P(guān)。

2.2 故障選線和啟動(dòng)判據(jù)的整定

此外，由于諧振接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，必然會(huì)引起中性點(diǎn)電流幅值改變，本文采用中性點(diǎn)電流幅值突變啟動(dòng)方式，具體整定如式(18)。

2.3 故障選線方法適應(yīng)性分析

本文所提故障選線方法僅需采集并聯(lián)小電阻投入前后中性點(diǎn)與線路零序電流的幅值，而無需采集零序電壓信息，可有效避免零序PT斷線影響。同時(shí)，避免了相位計(jì)算，不受工程現(xiàn)場(chǎng)零序CT極性反接的干擾。更為重要的是，所提選線方法在理論上不受過渡電阻的影響，僅受零序CT測(cè)量精度限制。

3 故障選線處理流程

綜上所述，基于零序電流幅值比倍增系數(shù)的靈活接地系統(tǒng)故障選線方法處理流程如圖4所示，具體步驟如下。

步驟3：如果規(guī)定時(shí)間后故障仍然存在，中性點(diǎn)投入并聯(lián)小電阻；反之，結(jié)束選線流程。

圖4 故障選線處理流程

4 仿真分析

4.1 仿真模型

圖5 靈活接地系統(tǒng)仿真模型示意圖

4.2 仿真驗(yàn)證

本文按照?qǐng)D4所示流程，針對(duì)所提選線方法進(jìn)行了大量仿真，以驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，具體故障選線仿真結(jié)果主要分為以下幾種情況。

4.2.1不同過渡電阻

設(shè)置電纜線路L4為故障線路，故障點(diǎn)距離線路出口4 km，并聯(lián)小電阻在故障發(fā)生1.0 s后投入。本文就不同過渡電阻單相接地進(jìn)行了仿真，結(jié)果見表1。由表1可知，隨著過渡電阻的增大，各線路倍增系數(shù)保持不變，驗(yàn)證了本文所提選線方法在理論上不受過渡電阻的影響。同時(shí)，故障線路倍增系數(shù)小于判據(jù)門檻值，而健全線路倍增系數(shù)均大于判據(jù)門檻值，因此根據(jù)故障選線判據(jù)能夠準(zhǔn)確識(shí)別線路L4為故障線路。

表1 不同過渡電阻下的選線結(jié)果

圖6為過渡電阻為200 Ω時(shí)的故障選線結(jié)果。其中，圖6(c)是利用并聯(lián)小電阻投入前后2.5個(gè)工頻周期(0.05 s)時(shí)間內(nèi)的中性點(diǎn)與線路零序電流幅值比得到的倍增系數(shù)。從圖6(b)可以看出，并聯(lián)小電阻投入前后，中性點(diǎn)與健全線路零序電流幅值比增大，而中性點(diǎn)與故障線路零序電流幅值比減小，仿真結(jié)果符合理論分析。

圖6 過渡電阻為200 W 時(shí)故障選線結(jié)果

4.2.2不同故障距離

表2 不同故障距離下的選線結(jié)果

4.2.3不同脫諧度和對(duì)地電容電流

設(shè)架空-電纜混合線路L2發(fā)生過渡電阻為2000 Ω的單相接地故障，故障點(diǎn)距線路出口5 km。其中，對(duì)地電容電流的改變通過增減線路長度實(shí)現(xiàn)，不同對(duì)地電容電流對(duì)應(yīng)的線路長度如表3所示。表3中線路長度對(duì)應(yīng)的列，不含符號(hào)“+”的代表電纜線路長度；含符號(hào)“+”的代表架空-電纜混合線路長度，第一個(gè)數(shù)字代表電纜線路長度，“+”后面的數(shù)字均代表架空線路長度。線路L2的長度保持不變，即故障線路對(duì)地電容保持不變。仿真驗(yàn)證不同脫諧度和對(duì)地電容電流下的選線結(jié)果如表4所示。

表3 不同對(duì)地電容電流對(duì)應(yīng)的線路長度

表4 不同脫諧度和對(duì)地電容電流下的選線結(jié)果

由表4可知，在不同對(duì)地電容電流和脫諧度情況下，所提選線方法仍能準(zhǔn)確識(shí)別故障線路L2，且留有足夠的裕度。同時(shí)，健全線路倍增系數(shù)隨著對(duì)地電容電流和過補(bǔ)償度的增大而減小，符合2.1節(jié)所得結(jié)論。同時(shí)，圖7給出了線路在不同脫諧度和對(duì)地電容電流下的倍增系數(shù)。

此外，將零序CT極性反接，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，大量仿真結(jié)果表明所提選線方法仍能準(zhǔn)確選線，且上述仿真過程中均未采用零序電壓信息。因此，所提選線方法不受零序PT斷線和零序CT極性反接的影響。

圖7 不同脫諧度和對(duì)地電容電流下的倍增系數(shù)

5 結(jié)論

針對(duì)靈活接地系統(tǒng)單相高阻接地故障的保護(hù)拒動(dòng)問題，本文提出了基于零序電流幅值比倍增系數(shù)的故障選線方法。通過理論分析與大量仿真驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

1) 并聯(lián)小電阻投入前后，中性點(diǎn)與健全線路零序電流幅值比增大，而中性點(diǎn)與故障線路零序電流幅值比減小。

2) 當(dāng)中性點(diǎn)并聯(lián)小電阻為10W時(shí)，健全線路倍增系數(shù)取值為2.81～28.88，與配電網(wǎng)規(guī)模和過補(bǔ)償度有關(guān)；故障線路倍增系數(shù)取值為0～1，與配電網(wǎng)規(guī)模、過補(bǔ)償度和故障線路零序?qū)Φ仉娙萦嘘P(guān)。

3) 并聯(lián)小電阻投入前后，中性點(diǎn)與健全線路、故障線路零序電流幅值比、幅值比變化特征(倍增系數(shù))均不受過渡電阻影響，即該選線方法理論上不受過渡電阻影響。

4) 考慮零序CT測(cè)量精度的限制，利用中性點(diǎn)電感和電阻間接求解健全線路倍增系數(shù)，能夠克服健全線路微弱零序電流難以準(zhǔn)確提取的問題。

5) 僅利用零序電流的幅值，不受零序PT斷線和零序CT極性反接影響，且在不同故障距離、脫諧度和對(duì)地電容電流情況下均能準(zhǔn)確辨識(shí)故障線路，具備良好的工程應(yīng)用前景。

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Fault line detection method for a flexible grounding system based on a zero-sequence current amplitude ratio multiplication coefficient

ZHOU Yu1, TANG Tao1, ZENG Xiangjun1, LUO Chunhui2, YANG Zhongyi1

(1. School of Electrical and Information Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114,China; 2.Hunan Electric Power Transmission and Transformation Engineering Co., Ltd., Changsha 410114, China)

It is difficult to select a fault line when a high impedance grounding fault occurs in a flexible grounding system. Thus a fault line detection method for such a system based on zero-sequence current amplitude ratio multiplication coefficient is proposed. First, the variation characteristics of amplitude ratio of zero-sequence current at neutral point to zero-sequence current of line before and after a parallel small resistor is put into use in the single-phase grounding fault of the system are analyzed. This means that the amplitude ratio of zero-sequence current at the neutral point and the zero-sequence current at sound line increases, while the amplitude ratio of zero-sequence current at neutral point and zero-sequence current at fault line decreases. Second, by introducing the multiplication coefficient, the changing trend of amplitude ratio is quantitatively described, and then the adaptive fault line detection criterion is constructed. In addition, the neutral point inductance and resistance are used to indirectly determine the multiplication coefficient of the sound line with weak zero-sequence current amplitude after the input of a small resistance. This effectively reduces the misjudgment probability of line selection caused by the limitation of zero-sequence CT accuracy. The theoretical analysis and simulation results show that the proposed method can withstand a transition resistance up to 3000 Ω without zero-sequence voltage information, and is reliable and applicable.

flexible grounding system; high impedance grounding fault; amplitude ratio; multiplication coefficient; fault line detection

10.19783/j.cnki.pspc.220365

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(52207075，52037001)；湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(2020JJ5584)；湖南省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新平臺(tái)項(xiàng)目資助(19K003)

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 52207075 and No. 52037001).

2022-03-20；

2022-07-03

周 宇(1997—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)；E-mail: zy997224@163.com

湯 濤(1989—)，男，通信作者，博士，講師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制；E-mail: ttqzh0102@163.com

曾祥君(1972—)，男，博士，教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制。E-mail: eexjzeng@qq.com

(編輯 許 威)